滴灌條件下穴施生物有機肥對土壤酶活性時空動態(tài)分布的影響

常文穎，何 倩，李俊華

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室/石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832000)

我國是化肥施用大國，化肥的超標施入對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成了負面影響，并威脅到我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。而有機肥能在微生物作用下，分解釋放礦質(zhì)養(yǎng)分，改善低肥力土壤養(yǎng)分狀況，且能夠直接為土壤微生物提供有機能源[2]，進而影響土壤酶活性[3-4]。生物有機肥除了一般有機肥的功能外，還有助于農(nóng)作物對養(yǎng)分物質(zhì)的吸收，活化土壤中的難溶營養(yǎng)物質(zhì)供植物吸收利用[5]。

傳統(tǒng)有機肥施用投入成本過高，集中施入(條施、穴施等)是節(jié)約成本提高肥效較為有效的方法。集中施入有機肥時，在肥料和肥粒附近(微域)形成特殊微環(huán)境，使得這一微域土壤的理化性質(zhì)和生物性質(zhì)改變，對土壤生產(chǎn)力和植物營養(yǎng)產(chǎn)生較大影響[6]。滴灌作為應(yīng)對新疆干旱缺水的重要節(jié)水方式[7]，在滴灌條件下水分自滴頭向四周擴散，會使土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性受其影響隨之向四周逐漸減小[8]。在滴灌條件下穴施生物有機肥，研究二者之間相互作用對微域土壤酶活性時空動態(tài)分布能否產(chǎn)生影響，對探究新疆有機肥合理施用方式具有重要意義。

本研究以新疆本地農(nóng)田土壤為材料，以不同滴水位置分別與穴施和均勻施入生物有機肥方式相結(jié)合，探究0～60 cm土層及水平位置土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性時空動態(tài)分布特征，進一步闡明滴灌條件下，穴施生物有機肥對土壤酶活性的影響強度、作用深度和廣度，為新疆農(nóng)田合理、高效施用生物有機肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015年4月19日-6月19日在石河子大學試驗站進行。供試土壤為灌耕灰漠土(灌淤旱耕人為土，Calcaric Fluvisals)，施肥前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分見表1。生物有機肥為江蘇新天地生物科技有限公司生產(chǎn)的“BIO”生物有機肥，基礎(chǔ)養(yǎng)分為：有機質(zhì)44.2%，N 4.4%，P2O52.3%，K2O 0.7%，pH值8.54，功能微生物枯草芽孢桿菌達到108cfμ·g-1，其中氨基酸態(tài)氮占總氮的60%以上。

試驗為隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積3.1 m×3 m，重復3次。在每個樣點上方放一個水壺，水壺出水口鏈接醫(yī)用輸液管，調(diào)節(jié)流速，精確控制灌溉量，樣點間距60 cm。設(shè)置4個處理：穴施生物有機肥且水肥一致處理(B0)為滴頭與肥料在同一位置，穴施生物有機肥且水肥不一致處理(B30)為肥料施入距離滴頭30 cm位置，均勻施入生物有機肥處理(BU)為肥料均勻施入滴頭30 cm范圍內(nèi)的土壤中和不施肥處理(CK)，每個處理3個重復，施肥與灌溉位置如圖1所示。每穴施肥177 g(干物質(zhì)量為150 g)，將肥料裝入直徑5 cm，高10 cm的圓柱內(nèi)(400目的尼龍網(wǎng)制成)，埋入樣點正下方土表5 cm以下。土壤水分保持在田間持水量的70%～90%。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 取樣 分別在施肥后的3、7、15、30、60 d，選取距肥料0、5、15、30 cm的水平位置和0～20、20～40、40～60 cm的垂直位置土鉆取樣(見圖1)。肥際土壤是指0～20 cm土層，取距離肥料袋邊緣2 mm處的土壤。BU和CK沒有肥際土壤，取0～20 cm土層滴頭正下方的土壤作為肥際土壤的對照。采回的土壤自然風干，過2 mm篩測定酶活性。

1.2.2 測定方法 土壤養(yǎng)分采用鮑士旦[9]的方法測定。有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，堿解氮采用堿解擴散法，速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法。

pH值采用pH計測定，土壤電導率(EC)采用電導率儀測定。

土壤酶活性測定采用關(guān)松蔭[10]的方法。脲酶采用苯酚鈉-次氯酸比色法，蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。

表1 不同深度土層基礎(chǔ)養(yǎng)分分析

圖1 采樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用Microsoft Excel 2010處理數(shù)據(jù)。用SPSS 19.0系統(tǒng)軟件分析數(shù)據(jù)，用LSD法(least significant difference test)進行樣本平均數(shù)在0.05水平的差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物有機肥和水肥位置對土壤脲酶活性時空動態(tài)分布特征的影響

由圖2可知，BU、B30和B0處理均可以提高0～60 cm土層脲酶活性，且脲酶活性隨時間變化先升高后降低，在處理后15 d達到最大值。20～40 cm土層，B0處理H0(肥際)位置脲酶活性高于B30處理25.60%(P<0.05顯著，下同)；40～60 cm土層，各水平位置之間酶活性大多無顯著差異。隨著處理時間延長及土層深度增加，各處理不同水平位置間脲酶活性的差異逐漸減小。

注：誤差線代表LSD0.05，H0、H5、H15和H30分別表示距肥料水平距離為0、5、15 cm和30 cm。下同。Note:Error bars show the LSD0.05, H0，H5，H15 and H30 denote horizontal distances of 0，5，15 cm and 30 cm. The same below.圖2 不同處理對各土層脲酶活性空間分布的影響Fig.2 The effect of different treatments on spatial distribution of urease activities in different soil layers

0～20 cm土層，各水平位置脲酶活性大多為：H0>H5>H15>H30，但水肥不一致處理(B30)，試驗初期H5、H15位置脲酶活性最低，隨著處理時間延長，肥料中養(yǎng)分不斷溶解擴散，后期其水平位置脲酶活性變化趨勢與其他處理一致。不同水平位置，各處理間脲酶活性的變化規(guī)律存在差異，這種差異隨時間變化而改變：處理后3 d，水平位置0 cm處脲酶活性為B0>BU>B30，非肥際位置各處理間脲酶活性差異不顯著；處理后7～60 d，水平位置0～15 cm處脲酶活性為B0>B30>BU。

20～40 cm土層，隨著時間變化，各處理不同水平位置間脲酶活性發(fā)生了變化：BU及B0處理脲酶活性均為H0>H5>H15>H30；而B30處理后3 d脲酶活性為H30>H0>H5>H15，處理后7 d變?yōu)镠0>H30>H5>H15，處理后15～60 d則與其他處理規(guī)律一致。處理后3 d和7 d，水平位置0、5 cm處脲酶活性為B0>BU>B30，但在水平位置30 cm處，B30處理脲酶活性顯著高于其他處理；處理后15～60 d，各水平位置脲酶活性為B0>B30>BU。

40～60 cm土層，處理后60 d，各處理脲酶活性規(guī)律為：H0>H5>H15>H30，其余時期不同水平位置間脲酶活性無顯著差異。

2.2 生物有機肥和水肥位置對土壤蔗糖酶活性時空動態(tài)分布特征的影響

由圖3可知，施入生物有機肥顯著提高了各土層蔗糖酶活性。0～60 cm土層蔗糖酶活性隨時間變化呈降-升-降的趨勢，最大均值1 837.24 mg·kg-1·h-1和1 724.08 mg·kg-1·h-1分別出現(xiàn)在處理后3 d和15 d。隨時間延長和土層深度增加，不同處理及不同水平位置間蔗糖酶活性差異逐漸減小。

圖3 不同處理對各土層蔗糖酶活性空間分布的影響Fig.3 The effect of different treatments on spatial distribution of sucrase activities in different soil layers

0～20 cm土層，CK、BU及B0處理水平位置蔗糖酶活性規(guī)律表現(xiàn)為：H0>H5>H15>H30，但B30處理3 d和7 d的規(guī)律為：H30>H0>H15>H5。不同處理間的酶活性差異表現(xiàn)為：處理后3 d和7 d，水平位置0、5 cm蔗糖酶活性為B0>BU>B30，水平位置15 cm處各處理間蔗糖酶活性無顯著差異，30 cm處B30處理酶活性顯著高于其他處理；處理后15～60 d，各水平位置蔗糖酶活性為B0>B30>BU。

20～40 cm土層，水肥位置影響水平方向酶活性變化規(guī)律并隨時間發(fā)生改變：處理后3 d和7 d，B30處理的水平位置30 cm處蔗糖酶活性最高，BU和B0在水平0 cm位置蔗糖酶活性最高；處理后15～60 d，各處理均為水平0 cm位置蔗糖酶活性最高。比較各處理間酶活性可知：處理后3 d，各處理間酶活性規(guī)律與0～20 cm土層一致；處理后7～60 d，水平位置0、5 cm蔗糖酶活性為B0>B30>BU。

40～60 cm土層，隨時間增加各處理蔗糖酶活性逐漸降低，同一處理不同水平位置間酶活性差異逐漸減小。

2.3 生物有機肥和水肥位置對堿性磷酸酶活性時空動態(tài)分布特征的影響

由圖4可知，隨土層深度增加，各處理土壤堿性磷酸酶活性平均降低了64.46%。各土層酶活性峰值分別為65.72、44.33、30.26 mg·kg-1·h-1，分別出現(xiàn)在15、7 d及60 d。

0～20 cm土層，處理后3 d，BU和B0處理均為肥際磷酸酶活性最高，但B30處理磷酸酶活性為H30>H0>H5>H15；處理后7～60 d，各處理酶活性均為：H0>H5>H15>H30。處理后3 d和7 d，水平位置0～15 cm處BU處理堿性磷酸酶活性高于B0和B30；處理后15～60 d，水平位置0、5 cm堿性磷酸酶活性為：B0>B30>BU。

20～40 cm土層，各處理水平位置間酶活性變化規(guī)律與0～20 cm土層一致。對比同一水平位置，各處理間磷酸酶活性差異：施肥后3～60 d，H0、H5位置B0處理磷酸酶活性最高，但只有施肥后7 d和30 d差異顯著。

40～60 cm，BU和B0處理水平位置磷酸酶活性為：H0>H5>H15>H30，B30處理前期(3 d和7 d)不符合此規(guī)律，后期(15～30 d)逐漸與此規(guī)律一致。不同施肥處理間酶活性為：施肥后3 d和7 d，水平0、5 cm處BU處理磷酸酶活性最高；施肥后15 d和30 d，H0、H5位置各處理間磷酸酶活性差異不顯著；而施肥后60 d，H0位置B0、B30處理磷酸酶活性顯著高于BU，水平5～30 cm位置，各施肥處理間酶活性差異不顯著。

3 討論與結(jié)論

土壤酶參與土壤許多重要的生物化學過程和物質(zhì)循環(huán)，與微生物一起推動著土壤的代謝過程。有機肥會對土壤酶活性產(chǎn)生影響，長期施用可以大幅度提高脲酶活性[11-13]，生物有機肥會使土壤脲酶、蔗糖酶活性顯著增加[14]。有研究表明，施入化肥和有機肥可提高耕層(0～20 cm)脲酶、蔗糖酶活性，而在20～80 cm土層，施肥對脲酶活性的影響逐漸降低[15]。本試驗中不同施肥方式下，0～60 cm土層脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性增加，增加幅度隨土層深度增加而逐漸減小，其中0～20 cm土層酶活性最高。0～20 cm土層，生物有機肥對土壤堿性磷酸酶活性增加影響最大的處理由前期的BU轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘腂0，同時脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均隨土層深度增加而逐漸降低。對比不同施肥方式對土壤酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)集中施入生物有機肥較均勻施肥明顯提高了0～40 cm土層土壤脲酶和蔗糖酶活性，而均勻施肥處理的肥料易于溶解擴散，前期更有利于提高0～20 cm土層堿性磷酸酶的活性。

酶活性隨培養(yǎng)時間的延長呈周期性變化規(guī)律，不同的土壤酶其活性代謝規(guī)律不同。施用羊糞、秸稈后隨著小麥生長，土壤脲酶活性呈先增加后降低的趨勢[16];施用不同有機肥后，隨著烤煙生長，蔗糖酶活性均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢[17]；在室內(nèi)模擬試驗中發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶活性也隨時間變化呈先升后降[18]。本試驗表明脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性隨時間的整體變化趨勢不一致，與上述結(jié)果存在一定差異。脲酶活性在施肥15 d達到最大值后開始降低，而在不同深度土層堿性磷酸酶活性峰值出現(xiàn)的時間均不相同。我們發(fā)現(xiàn)施肥后3 d的蔗糖酶活性高于7 d，這可能是由于土壤由冬天的低溫、缺水、缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的條件轉(zhuǎn)變?yōu)殚_春溫度適宜，濕潤，有養(yǎng)分供給的狀態(tài)后，土壤理化性質(zhì)和生物性質(zhì)快速優(yōu)化，同時春季氣溫升高酶促反應(yīng)顯著增加，之后酶促基質(zhì)降低，脲酶活性開始下降[19]。處理后60 d，土壤酶活性降至最低，這可能是隨酶促反應(yīng)時間增加，底物濃度降低導致。

不同滴水位置下，穴施雞糞均能提高土壤脲酶、蔗糖酶及堿性磷酸酶活性，且以滴頭為中心向四周減小，水肥一致更有利于提高土壤酶活性[20]。施用生物有機肥顯著增加了各土層土壤酶活性，不同處理下土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性水平方向上的變化規(guī)律大體一致：B0和BU處理的酶活性在整個處理周期中均呈：0 cm>5 cm>15 cm>30 cm；而B30(水肥不一致)處理與其他處理不同，前期酶活性以滴頭為中心向四周逐漸降低，隨時間延長，則以肥料為中心向四周降低。隨著處理時間延長，各處理不同水平位置間酶活性差異減小。

綜上所述，集中施入生物有機肥較均勻施入有機肥明顯提高了0～40 cm土層土壤脲酶和蔗糖酶活性49.40%和39.51%，且更有利于提高施肥后期0～20 cm土層土壤堿性磷酸酶活性，生物有機肥對40～60 cm土層3種酶活性的影響均不顯著。不同施肥方式下，隨著時間變化，脲酶和蔗糖酶活性大體呈先升后降的變化趨勢，而各土層堿性磷酸酶活性變化規(guī)律并不一致。隨著土層深度加深3種土壤酶活性分別降低了72.12%、83.10%、64.46%，且生物有機肥對酶活性的影響幅度也同時降低。水平方向上，B0和BU處理脲酶、蔗糖酶及堿性磷酸酶活性以肥料(H0)為中心向四周分別降低了42.12%、29.73%、25.76%，而B30處理由于滴頭和肥料不在同一位置，處理前期3種酶活性以滴頭(H30)為中心向四周分別降低了5.87%、11.30%、3.51%，隨著處理時間延長，水分將肥料中的養(yǎng)分慢慢溶解，土壤酶活性轉(zhuǎn)為以肥料為中心向四周降低。